表面改性是指利用各類材料或助劑，采用物理、化學(xué)等方法對粉體表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的地改善粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)或物理技術(shù)性能，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。粉體表面改性的方法很多，分類方法依分析問題的角度不同而異，下面小編就機(jī)械化學(xué)法粉體表面改性技術(shù)進(jìn)行介紹。

一、粉體表面改性方法概述

目前，粉體改性方法按照改性工藝性質(zhì)分類，主要分為6類，表面覆蓋改性、表面化學(xué)改性、機(jī)械化學(xué)法改性、膠囊式改性、高能處理改性、沉淀反應(yīng)改性。

（1）表面覆蓋改性

表面覆蓋改性是利用表面活性劑使高分子、無機(jī)物、有機(jī)物等覆蓋于粉體表面，達(dá)到表面改性。

表面覆蓋法改性納米碳酸鈣結(jié)構(gòu)圖

（2）表面化學(xué)改性

表面化學(xué)改性是利用表面改性劑與粉體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)吸附的方式完成，使其表面產(chǎn)生新的機(jī)能。

表面化學(xué)改性示意圖

（3）機(jī)械化學(xué)法改性

機(jī)械化學(xué)法改性是通過粉碎、磨碎、摩擦等方法增強(qiáng)粒子的表面活性，具有強(qiáng)活性的粉體表面與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、附著，達(dá)到表面改性的目的。

（4）膠囊式改性

膠囊式改性是在粉體表面包上一層或多層均勻的其它物質(zhì)的薄膜，使粉體的表面特性發(fā)生改變。

膠囊式改性示意圖

（5）高能處理改性

高能處理改性是利用電暈放電、紫外線、等離子束等對粉體進(jìn)行表面改性。

等離子束儀器

（6）沉淀反應(yīng)改性

沉淀反應(yīng)改性是利用化學(xué)反應(yīng)并將生成物沉積在粉體表面，形成一層或多層改性層的方法。

相比于其他5種表面改性方法，機(jī)械化學(xué)法表面改性可將粉碎過程與表面改性過程相結(jié)合，具有工藝過程簡潔、產(chǎn)品改性效果良好及生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。

二、機(jī)械化學(xué)法表面改性機(jī)理

機(jī)械化學(xué)法是指通過壓縮、剪切、摩擦、延伸、彎曲、沖擊等手段，對固體、液體、氣體物質(zhì)施加機(jī)械能，從而誘發(fā)這些物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)變化，使固體與其周圍環(huán)境中的固體、液體、氣體發(fā)生化學(xué)變化的現(xiàn)象。

機(jī)械化學(xué)法粉體表面改性是通過對粉體的機(jī)械處理，使粉體表面活化能提高，從而使粉體表面活化點(diǎn)與周圍的物質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)。粉體表面活化能增強(qiáng)，出現(xiàn)活化點(diǎn)的原因主要有：

（1）晶格缺陷

晶格缺陷是指晶體在外部的拉力、壓力、彎曲等機(jī)械力或?qū)Ρ砻孢M(jìn)行機(jī)械加工時(shí)形成的晶格偏離正常位置的現(xiàn)象。晶格缺陷按其空間結(jié)構(gòu)不同又可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。位錯的發(fā)生使得附近原子或離子處于較高能量狀態(tài)。面缺陷則常出現(xiàn)在晶界、雙晶界或晶體堆層不完整等區(qū)域。

缺陷示意圖

位錯示意圖

（2）晶格畸變，晶格畸變的形式有一次粒子的晶格整體的膨脹收縮而引起面間距的變化、晶粒內(nèi)部或晶粒局部的變化、X射線確定的無定形構(gòu)造或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)中特有的不規(guī)則構(gòu)造等。晶格畸變引起物質(zhì)能量增加。

三、機(jī)械化學(xué)表面改性工藝流程及設(shè)備

1、濕法機(jī)械化學(xué)表面改性

濕法機(jī)械化學(xué)表面改性工藝流程是：被改性粉體與改性劑在溶液環(huán)境下，受到研磨介質(zhì) 的高速沖擊、剪切、擠壓等作用，粉體表面在粉碎的同時(shí)被活化，從而發(fā)生與介質(zhì)中的改性劑的物理、化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)表面改性的目的。改性完成后，通過分離、 干燥等工藝，獲得改性粉體。

目前，濕法機(jī)械化學(xué)表面改性尚無專門設(shè)備，通常由球磨機(jī)、攪拌磨、振動磨等完成。其中以攪拌磨使用較為普遍。

高能球磨機(jī)

濕法改性適合于改性產(chǎn)品以漿料形式使用的領(lǐng)域。缺點(diǎn)是工藝過程復(fù)雜。

2、干法機(jī)械化學(xué)表面改性

干法機(jī)械化學(xué)表面改性工藝流程是：將原料粉體與改性劑加入有序混合機(jī)中充分混合均勻后，經(jīng)定量計(jì)量系統(tǒng)加入改性設(shè)備中進(jìn)行改性處理，改性完成后粉體送入成品收集裝置進(jìn)行收集。

該方法優(yōu)點(diǎn)是：整個工藝過程自動化水平較高。目前干法表面改性設(shè)備主要有：高速加熱式混合機(jī)、SLG型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)、PSC型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)、高速氣流沖擊式粉體表面改性機(jī)和流化床式粉體表面改性機(jī)。

（1）高速加熱式混合機(jī)

高速攪拌混合機(jī)是借助高速旋轉(zhuǎn)葉片的表面與物料的摩擦力和側(cè)面對物料的推力，使粉體顆粒之間高速相互碰撞、摩擦，進(jìn)而促使粉體粒子與改性劑之間進(jìn)行充分的交叉混合與吸附，使得表面改性劑包覆在粉體粒子的表面，實(shí)現(xiàn)粉體表面改性的目的。

該改性機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：應(yīng)用范圍廣，適用于固-液、固-粉、粉-粉、粉-液進(jìn)行高效的粉體復(fù)合改性。

（2）SLG型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)

SLG型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)是依靠轉(zhuǎn)子葉片和定子與粉體物料的沖擊、剪切和摩擦作用產(chǎn)生表面改性所需的溫度。轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)強(qiáng)制松散并形成渦流二相流，使表面改性劑能迅速與顆粒表面作用，所以包覆效果好。

SLG型連續(xù)式粉體表面改性機(jī)

該改性機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：連續(xù)生產(chǎn)，自動化水平高，操作簡單，處理能力大。特別適合用硬脂酸類，各種偶聯(lián)劑等對碳酸鈣、滑石、云母、高嶺土、石英、硅灰石、硅線石等非金屬礦物填料進(jìn)行連續(xù)表面改性處理。

（3）高速氣流沖擊式粉體表面改性機(jī)

高速氣流沖擊式粉體表面改性機(jī)系列較多，其中以以日本奈良機(jī)械制作所開發(fā)完成的高速氣流沖擊式粉體表面改性機(jī)HYB系統(tǒng)最具代表性。工作時(shí)物料在轉(zhuǎn)子和定子等部件的協(xié)同作用下被迅速分散，同時(shí)還不斷受到以氣流沖擊力為主，粉體粒子間的壓縮、摩擦和剪切等多個力的共同作用，在短時(shí)間內(nèi)完成表面包覆改性、成膜或球形化處理。

該改性機(jī)優(yōu)點(diǎn)是：流程簡單、改性質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)品粒度均勻等特點(diǎn)。

HYB系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

目前，南京理工大學(xué)超細(xì)粉體與表面科學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)的雙向攪拌研磨混合機(jī)具有良好的使用效果，對于某些特殊粉體，其改性效果超過HYB系統(tǒng)。

作者：李波濤